(57)【要約】【課題】低ガス圧力損失、高水素利用率運転、長期間発電が可能な金属セパレータを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】枠部とその内側に形成された複数の流路群を両面に有する金属流路板と、該金属流路板の枠部に密着し上記流路の端部の折り返し部と上記流路に対する反応ガスを供給する供給マニホールド及び反応ガスを排出する排出マニホールドとを有するフレームと、該フレームに接する反応ガス拡散層と、該拡散層に接し、片面にアノードを、他面にカソードが接する電解質膜と、該アノード又はカソードに接する反応ガス拡散層と、上記金属流路板と、上記フレームとの組み合わせをユニットとして、複数のユニットを積層して構成した燃料電池であって、上記フレーム１個あたりの供給マニホールド及び／又は排出マニホールドの数が複数であることを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠部とその内側に形成された複数の流路群を両面に有する第１の金属流路板と、該金属流路板の枠部に密着し上記流路の端部の折り返し部と上記流路に対する反応ガスを供給する供給マニホールド及び反応ガスを排出する排出マニホールドとを有する第１のフレームと、該フレームに接する第１の反応ガス拡散層と、該第１の反応ガス拡散層に接し、片面にアノードを、他面にカソードが接する電解質膜と、該アノード又はカソードに接する第２の反応ガス拡散層と、該第２の反応ガス拡散層に接する第２のフレームと、第２のフレームと接して供給マニホールド及び排出マニホールドを有する第２の金属流路板との組み合わせをユニットとして、複数のユニットを積層して構成した燃料電池であって、上記フレーム１個あたりの供給マニホールド及び／又は排出マニホールドの数が複数であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記供給マニホールドは上記流路群を平面で見た場合に、同一流路端側であって、その左右に離れて形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記供給マニホールドは上記流路板の略中央部に位置し、上記排出マニホールドは上記供給マニホールドとは流路端の反対側であって、上記流路群を平面で見た場合に、その左右に離れて形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
上記供給マニホールドが同一流路端に複数形成され、上記排出マニホールドが上記流路端と反対側に複数個形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
上記供給マニホールド及び排出マニホールドが全て同一流路端に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
金属板をプレス加工して実質的に直線状の複数の流路群を形成した金属流路板と該金属流路板と密着し、流路端においてガスが流通するための流路を有するフレームとを備える金属セパレータと、供給された反応ガスをアノード又はカソードに拡散させるための拡散層と、上記アノードおよびカソードをその表裏面に形成した電解質膜とを備え、上記フレームは反応ガスを上記流路に供給し、および流路から排出するための供給マニホールド及び排出マニホールドを有し、上記金属流路板に反応ガスを供給するマニホールドの数Ｎｆが、Ｎｆ＝２ｎ（ｎは自然数）であるフレームを用いて形成された金属セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
上記金属セパレータに密着するフレームに形成されるガス折り返し部は、流路の末端とそれとは別の隣接する複数の直線状凹凸形状流路の末端とを空間的に接続して、上記流路を流れる反応ガスを隣接する複数の流路群に導くものであって、折り返し部の数Ｎｔが一つのセパレータあたりＮｔ＝２ｍ（ｍは自然数）である金属セパレータを用いたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
金属流路板の直線状凹凸形状流路に反応ガスを供給するマニホールドの個数Ｎｆｉが、直線状凹凸形状流路からガスを排出するためのマニホールドの個数Ｎｆｏとの間で、Ｎｆｉ−Ｎｆｏ≧１である金属セパレータを用いたことを特徴とする請求項６又は７記載の燃料電池。
【請求項９】
アノードガス流路に形成された、セパレータあたりの折り返し部の数Ｎｔａと、カソードガス流路に形成された、セパレータあたりの折り返し部の数Ｎｔｃとが、Ｎｔａ＞Ｎｔｃである金属セパレータを用いたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
金属セパレータを構成する金属流路板に形成された直線状凹凸形状流路が少なくとも発電時に水平面に設置されていることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
枠部とその内側に形成された複数の流路群を両面に有する金属流路板と、該金属流路板の枠部に密着し上記流路の端部の折り返し部と上記流路に対する反応ガスを供給する供給マニホールド及び反応ガスを排出する排出マニホールドとを有するフレームとを有し、上記フレーム１個あたりの供給マニホールド及び／又は排出マニホールドの数が複数であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
上記供給マニホールドは上記流路群を平面で見た場合に、同一流路端側であって、その左右に離れて形成されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１３】
上記供給マニホールドは上記流路板の略中央部に位置し、上記排出マニホールドは上記供給マニホールドとは流路端の反対側であって、上記流路群を平面で見た場合に、その左右に離れて形成されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１４】
上記供給マニホールドが同一流路端に複数形成され、上記排出マニホールドが上記流路端と反対側に複数個形成されたことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１５】
上記供給マニホールド及び排出マニホールドが全て同一流路端に形成されていることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１６】
枠部とその内側に形成された複数の流路群を両面に有する金属流路板と、該金属流路板の枠部に密着されるものであって上記流路の端部の折り返し部と上記流路に対する反応ガスを供給する供給マニホールド及び反応ガスを排出する排出マニホールドとを有するフレームと、反応ガス拡散層と、片面にアノードを、他面にカソードが接する電解質膜とを有する電解質膜／電極接合体とを含み、上記フレーム１個あたりの供給マニホールド及び／又は排出マニホールドの数が複数であることを特徴とする燃料電池用キット。
【請求項１７】
上記供給マニホールドは上記流路群を平面で見た場合に、同一流路端側であって、その左右に離れて形成されることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用キット。
【請求項１８】
上記供給マニホールドは上記流路板の略中央部に位置し、上記排出マニホールドは上記供給マニホールドとは流路端の反対側であって、上記流路群を平面で見た場合に、その左右に離れて形成されることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用キット。
【請求項１９】
上記供給マニホールドが同一流路端に複数形成され、上記排出マニホールドが上記流路端と反対側に複数個形成されることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用キット。
【請求項２０】
上記供給マニホールド及び排出マニホールドが全て同一流路端に形成されていることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池用キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料および酸化剤から電気化学反応を利用しエネルギーを取り出しうる固体高分子形燃料電池、燃料電池用金属セパレータ及び燃料電池用キットに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質にプロトン伝導性ポリマーフィルムを用いた固体高分子形燃料電池は現在研究開発中の発電システムであるが、実用化に向けた課題の一つに、材料コストが高いことが挙げられる。燃料電池を構成する高コスト材料の一つがセパレータである。セパレータは２種類の反応ガスを混合しないように隔離する、ガス流路溝を備えた電子伝導性板の呼称である。燃料電池が発電している際、電池の内部環境は腐食性であるためセパレータには高い耐食性が求められる。その他、セパレータ材料としては構造的な強度やガス不透過性、低抵抗などの特性が必要となる。
【０００３】
このため現在、セパレータ材料としては緻密黒鉛板にガス流路加工を施したものや、人工黒鉛粒子を樹脂で固めた樹脂モールド黒鉛に流路成形したモールド黒鉛セパレータなどが使用されている。さらにコストを低減できる可能性を有しているのが金属材料を用いたセパレータである。金属材料は高強度であるために、薄肉化が可能であり、加工性も優れることから、セパレータ１枚あたりの材料コストおよび加工コストを大幅に低減できる。一般に金属材料は燃料電池発電環境下において腐食物を生成してしまうが、特殊な材料を表面に形成したり、伝導性保護ペーストを表面に塗布するなどして耐食性を向上させた金属セパレータが開発されつつある。これらの技術に関しては、例えば特許文献１や特許文献２などが挙げられる。
【０００４】
カーボンセパレータは２ｍｍ程度以上の板厚を有しているため、表裏の流路が独立に形成できるが、金属セパレータの場合は板厚が０．５ｍｍ以下の板をプレスしてガス流路を加工するために、板の表の形状が裏に反映された流路の凹凸ができる。複数枚の金属板を組み合わせてセパレータを形成する場合は表裏の流路形状は互いに独立であるが、コストが高くなる。
【０００５】
最も安価にセパレータを形成するためには一枚の金属板を加工してセパレータとすることである。この場合、流路を形成した板の表と裏を利用してガス流路を形成するため、流路は表裏の共通部分のみ形成することになる。たとえばマニホールドから電極面にガスを導く導入流路部分を金属板にプレス成形してしまうと、マニホールドからのガスが、一枚のセパレータの表裏両方に流れ込んでしまい、発電できない。よって金属板にはマニホールドと電極面とを接続する流路は形成することは困難である。この場合、金属セパレータとは別の材料に流路を形成する必要がある。セパレータにはガスをシールするための機能も必要であることから、シールするための材料に前記ガス流路の形状を形成すれば、金属板とシール材でセパレータを形成することができる。
【０００６】
一方、金属板に形成する表裏に共通の流路で、最も形成容易な形状は複数本の直線流路である。複数直線流路は、例えば蛇腹型（サーペンタイン）流路形状と比較するとガスが流れる流路断面積が大きくなる。ガス流路断面積が大きいと、同一量のガスが供給された場合、相対的に単位時間あたりのガスの移動距離が小さくなる。よって電池内での凝縮水分、電気化学反応により生じた生成水分がガス流れで排出されずに電池内に留まる場合がある。電池内に滞留する水は反応ガスの電極反応場への拡散を妨げるため、その結果電池性能が不安定になる可能性がある。
【０００７】
そこで樹脂やシール材料などの構造体に部分的に流路を形成し、金属板に形成した複数直線流路を用いながら樹脂に形成した流路部分でガス進行方向を転回させ、全体としてサーペンタイン流路形状に準じるガス流れ構造も検討されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２７２６５９号公報
【０００９】
【特許文献２】特開２００３−１９３２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし前述の技術では、ガスを転回させる折り返し部で流路部分から流れるガスが集中するため、結果的にガス圧力損失が大きいという課題が生じていた。圧力損失は層流の場合、ガスの粘度、ガス流速、流路長さに比例し、流路断面相当径の２乗に反比例する値である。燃料電池発電システムの場合、電池のガス圧力損失値が大きいと高吐出圧の空気ブロアを用いなくてはならず、補機損が大きくなる。その結果発電システムとしての効率が低下してしまう。
【００１１】
圧力損失を減少させるためにはセパレータに形成するガス流路の断面積を増加させればよいが、単位電池は薄型であるために厚さ方向への寸法増加はほとんどできない。よって流路の幅を拡大あるいは複数ある流路の本数を増加させることになるが、発電に与らない部分が増大することになり、電池の容積あたり取り出せる電気エネルギーとしては低下する。よって１枚の金属流路板を用いてセパレータを構成する金属セパレータを用いた燃料電池を設計する場合、電池の容積あたりの電気エネルギー量を高く維持しつつ圧力損失を低減させることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、枠部とその内側に形成された複数の流路群を両面に有する第１の金属流路板と、該金属流路板の枠部に密着し上記流路の端部の折り返し部と上記流路に対する反応ガスを供給する供給マニホールド及び反応ガスを排出する排出マニホールドとを有する第１のフレームと、該フレームに接する第１の反応ガス拡散層と、該第１の反応ガス拡散層に接し、片面にアノードを、他面にカソードが接する電解質膜と、該アノード又はカソードに接する第２の反応ガス拡散層と、該第２の反応ガス拡散層と接するフレームと、第２の金属流路板との組み合わせをユニットとして、複数のユニットを積層して構成した燃料電池であって、上記フレーム１個あたりの供給マニホールド及び／又は排出マニホールドの数が複数であることを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１３】
上記構成において、第１と第２の反応ガス拡散板はそれぞれ構造及び機能が実質手金同一であるが、表示上明確にするため両者を区別した。第１と第２のフレームについても同様である。
【００１４】
また本発明は、枠部とその内側に形成された複数の流路群を両面に有する金属流路板と、該金属流路板の枠部に密着し上記流路の端部の折り返し部と上記流路に対する反応ガスを供給する供給マニホールド及び反応ガスを排出する排出マニホールドとを有するフレームとを有し、上記フレーム１個あたりの供給マニホールド及び／又は排出マニホールドの数が複数であることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供するものである。
【００１５】
更に本発明は、枠部とその内側に形成された複数の流路群を両面に有する金属流路板と、該金属流路板の枠部に密着されるものであって上記流路の端部の折り返し部と上記流路に対する反応ガスを供給する供給マニホールド及び反応ガスを排出する排出マニホールドとを有するフレームと、反応ガス拡散層と、片面にアノードを、他面にカソードが接する電解質膜とを有する電解質膜／電極接合体とを含み、上記フレーム１個あたりの供給マニホールド及び／又は排出マニホールドの数が複数であることを特徴とする燃料電池用キットを提供するものである。上記キットは、燃料電池を組み立てるために必須の要素を１つ又は複数セットにしてまとめた物である。従って、必要に応じて、その他の要素例えばケーシング、端板や締め付け装置などを含んでも良いことは当然である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、供給マニホールド及び／又は排出マニホールドを複数とすることによりセル内のガス流通経路群も複数に分割し、流通経路あたりのガス量を減少させることにより、ガス折り返し部でのガス速度を抑制し、その結果圧力損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
最初に本発明のさまざまな実施形態を説明する。まず、全体説明として、図１を用いて説明する。図１において、金属粒路板１、カソード側フレーム３、カソード側反応ガス拡散層６、電解質膜／電極接合体８、アノード側反応ガス拡散層４、アノード側フレーム２、及びアノード側金属粒路板１をユニットとして、これを複数積層して目的の電圧の燃料電池を構成する。
【００１８】
本明細書及び特許請求の範囲において、カソード側の金属流路板及びフレームをそれぞれ第１の金属粒路板、第１のフレームと記載し、アノード側の金属粒路板及びフレームをそれぞれ第２の金属流路板及び第２のフレームと記載したが、これは便宜上の表記であって、カソード側が第１で、アノード側が第２というものではない。なお、フレームが接する側の面の折り返し部には、図１に示すように、突起部１８が形成されている。フレームの材質としては、加工性、コストなどの面からプラスチックが好ましい。しかしこのようなプラスチックは柔軟性があるため、フレームと金属粒路板が圧接されたときに、フレームが押し付けられて、フレームの折り返し流路が潰れる惧れがある。突起群はこの問題を解決するものである。しかし、突起部が形成された面と反対側は平滑で、反応ガス拡散層や電解質膜／電極接合体との密着が図られる。
【００１９】
本発明の主要な特徴を述べれば、金属板をプレス加工することにより、好ましくは直線状の凹凸形状を複数個有した金属流路板と、金属流路板と密着することで反応ガスに対する外部へのシール性を確保し、部分的にガスが流通するための流路を自身に形成し、積層して複数の単電池を含むスタックを形成したとき、反応ガスを各単電池に供給するための供給マニホールド及び反応ガスを排出するための排出マニホールドを形成しているフレームとを一体化させた金属セパレータを用いる。この金属セパレータにおいて、金属流路板に反応ガスを供給する供給マニホールドの数Ｎｆが、Ｎｆ＝２ｎ（ｎは自然数）であるフレームを用いて形成された金属セパレータを用いる。
【００２０】
上記供給マニホールドは前記流路群を平面で見た場合に、同一流路端側であって、その左右に離れて形成される。上記供給マニホールドは前記流路板の略中央部に位置し、上記排出マニホールドは上記供給マニホールドとは流路端の反対側であって、上記流路群を平面で見た場合に、その左右に離れて形成されることができる。
【００２１】
上記供給マニホールドが同一流路端に複数形成され、上記排出マニホールドが上記流路端と反対側に複数個形成されてもよい。上記供給マニホールド及び排出マニホールドが全て同一流路端に形成されていてもよい。
【００２２】
本発明は、金属板をプレス加工することにより直線状の凹凸形状を複数個有した金属流路板と、金属流路板と密着することで反応ガスに対する外部へのシール性を確保し、部分的にガスが流通するための流路を自身に形成し、積層して複数の単電池を含むスタックを形成したとき、反応ガスを各単電池に供給および排出するためのマニホールドを形成しているフレームとからなる金属セパレータと、アノードおよびカソードをその表裏面に形成した電解質膜と、供給された反応ガスを電極に均一に拡散させるための拡散層とから基本構成を成す燃料電池であって、金属流路板に反応ガスを供給するマニホールドの数Ｎｆが、Ｎｆ＝２ｎ（ｎは自然数）であるフレームを用いて形成された金属セパレータを用いた燃料電池を提供する。
【００２３】
上記金属セパレータに密着するフレームに、金属流路板に形成される複数の直線状凹凸形状流路の末端とそれとは別の隣接する複数の直線状凹凸形状流路の末端とを空間的に接続して、直線状凹凸形状流路を流れる反応ガスを隣接する複数の凹凸形状流路に導くためのガス折り返し部形状が形成される。この折り返し部の数Ｎｔが一つのセパレータあたりＮｔ＝２ｍ（ｍは自然数）である金属セパレータを用いることが望ましい。
【００２４】
上記金属流路板の直線状凹凸形状流路に反応ガスを供給するマニホールドの個数Ｎｆｉが、直線状凹凸形状流路からガスを排出するためのマニホールドの個数Ｎｆｏとの間で、Ｎｆｉ−Ｎｆｏ≧１である金属セパレータを用いることができる。
【００２５】
また、アノードガス流路に形成された、セパレータあたりの折り返し部の数Ｎｔａと、カソードガス流路に形成された、セパレータあたりの折り返し部の数Ｎｔｃとが、Ｎｔａ＞Ｎｔｃである金属セパレータを用いることができる。さらに、金属セパレータを構成する金属流路板に形成された直線状凹凸形状流路が少なくとも発電時に水平面に設置すると、凝縮水の悪影響を防ぐことができる。
【００２６】
上記燃料電池用セパレータにおいて、供給マニホールドを上記流路群を平面で見た場合に、同一流路端側であって、その左右に離れて形成することができる。また、上記供給マニホールドは上記流路板の略中央部に位置し、上記排出マニホールドを上記供給マニホールドとは流路端の反対側であって、上記流路群を平面で見た場合に、その左右に離れて形成することができる。上記供給マニホールドが同一流路端に複数形成され、上記排出マニホールドが上記流路端と反対側に複数個形成されるのが好ましい。上記供給マニホールド及び排出マニホールドを全て同一流路端に形成することができる。
【００２７】
前記燃料電池用キットにおいて、上記供給マニホールドは上記流路群を平面で見た場合に、同一流路端側であって、その左右に離れて形成されることができる。また、上記供給マニホールドは上記流路板の略中央部に位置し、上記排出マニホールドを上記供給マニホールドとは流路端の反対側であって、上記流路群を平面で見た場合に、その左右に離れて形成することができる。上記供給マニホールドが同一流路端に複数形成され、上記排出マニホールドが上記流路端と反対側に複数個形成されてもよい。上記供給マニホールド及び排出マニホールドが全て同一流路端に形成されていてもよい。
【００２８】
本発明によって、例えば、供給マニホールドの数が２である場合、単電池内の供給マニホールドから排出マニホールド間を流れるガス経路、つまりガス流通経路が２つあるため、１つの場合と比較し、流通経路あたりのガス量は半分になる。半分のガス量の時は、流通経路あたりのガス流路幅は１／２倍に設計しても、みかけの流速は同じであるため圧力損失は増大しない。
【００２９】
ガス折り返し部の断面積を同一とすると、ガス量が１／２倍になった場合、圧力損失値を減少させることができる。さらに流通経路が２つになると、ガス量が半分になるため反応部のガス流路幅を狭小化でき、反応部のガス流路末端を空間的に接続する折り返し部の流路長を減少させることができる。このため折り返し部の圧力損失値は、流通経路を増加させた分、減少させることが可能となる。
【００３０】
つまり電池内でガス流通経路が２つに分岐されるため、流通経路あたりの圧力損失値をガス量に応じて減少させることができ、とくに折り返し部はその効果が大きい。流通経路は電池内で並列であるため、電池のガス圧力損失としても累積されることはなく、大幅に減少させることが可能となる。
【００３１】
また、本発明は、金属流路板に形成される複数の直線状凹凸形状流路の末端とそれとは別の隣接する複数の直線状凹凸形状流路の末端とを空間的に接続して、直線状凹凸形状流路を流れる反応ガスを隣接する複数の凹凸形状流路に導くためのガス折り返し部形状がフレームに形成されていて、折り返し部の数Ｎｔが一つのセパレータあたりＮｔ＝２ｍ（ｍは自然数）である金属セパレータを提案する。
【００３２】
金属板に形成された流路は直線状であるから、流路折り返し数を偶数個設定すると必然的に供給および排出マニホールドを電極面の対向する辺に位置させることができる。たとえば折り返し数が奇数であると最も内側流路を流れるガスと最も外側を流れるガスの折り返し部を含めた流路長に差異が生じ、流路抵抗の大小が発生する。そのため流路によってガス量の違いができ、電極面内での均一なガス流れが達成できなくなる。よって折り返し数を偶数個設置することにより電極面内のガス流れが均一化でき、電池性能の安定化に寄与することが可能となる。
【００３３】
更に本発明は、金属流路板の直線状凹凸形状流路に反応ガスを供給するマニホールドの個数Ｎｆｉが、直線状凹凸形状流路からガスを排出するためのマニホールドの個数Ｎｆｏとの間で、Ｎｆｉ−Ｎｆｏ≧１である金属セパレータを提案する。
【００３４】
セパレータにおいて、ガスの流通経路あたりの折り返し数をｎとした場合、サーペンタインを構成する直線流路部分はｎ＋１個に分割できる。流通経路ｒのそれぞれの直線流路部分をｒ１，ｒ２，・・ｒｎ，ｒｎ＋１とすると、マニホールドから供給されたガスはｒ１を流れ、排出マニホールドにはｒｎ＋１からガスが流れ込むことになる。
【００３５】
上記流路を複数個組み合わせる場合、折り返し部分に流れるガス量が減少するため圧力損失を減少させることができる。流路の組み合わせ方にはいくつかあるが、ｒとは異なる流通経路ｒ’の直線流路部ｒ’ｎ＋１とｒ１が隣り合う場合はｒ１を流れるガスがｒ’ｎ＋１流路へ流れ込む可能性がある。この場合、ｒ’ｎ＋１流路からは排出マニホールドへ導かれてしまうので本来、電気化学反応に与るはずの反応ガスが直接排出されてしまう。よってｒ１とｒ’ｎ＋１は離れて配置したほうが好ましい。
【００３６】
ｒ１とｒ’１が隣り合う場合は互いにガスが隣の流路へ流れても反応には問題ない。但し、ｒ１とｒ’１は最も水素濃度が高く反応性に富む状態のため、電極中央部に位置させた場合、発熱が大きくなり、中心部の温度上昇が著しくなる。よって供給マニホールドはｒ１が流路の端部となるように位置させた方が電極面内熱分布の点から望ましい。この場合、隣り合うｒｎ＋１とｒ’ｎ＋１流路から導かれる排出マニホールドは一つに統合した方が、反応ガスのロス低減および発電時の電池温度の管理、ガスシール構造簡略化のために有利である。図４にＮｆｉ＝２，Ｎｆｏ＝１，ｎ＝２の場合のセパレータを示した。
【００３７】
また本発明は、アノードガス流路に形成された、セパレータあたりの折り返し部の数Ｎｔａと、化カソードガス流路に形成された、セパレータあたりの折り返し部の数Ｎｔｃとが、Ｎｔａ＞Ｎｔｃである金属セパレータを用いた燃料電池を提案する。
【００３８】
一般にカソードガスよりもアノードガスは発電効率を向上させるため利用率を高く設定する。ここで利用率とは供給したガス量に対する発電により消費したガス量の比と定義する。よって発電時に供給するアノードガス量とカソードガス量ではカソードガス量が絶対的に多くなる。電池のガス流路がカソードとアノードで同じ構造のとき、カソードガス圧力損失が大きくなる。同時にこれはアノードガスの流速が相対的に低いことを意味する。
【００３９】
アノード供給ガスには電解質膜への加湿する目的から水蒸気を含ませているため発電によりガス量が減少すると、過飽和になった水分が凝縮し、一部が液滴となってガスの拡散を妨げ、発電反応を阻害する。よって水分を吹き飛ばすためアノードガス流速を高くする設定する必要がある。ガス流路の形状、流路深さはプレス金属板の表裏を共通に利用することからアノードカソードガスともに同じ形となる。アノードガスの折り返し数を増加してガス流れの幅を狭めることができればアノードガスの流速を向上させ、電池性能の安定が可能となる。図５にはＮｔａ＝８、Ｎｔｃ＝４のセパレータを示した。
【００４０】
本発明は更に、金属セパレータを構成する金属流路板に形成された直線状凹凸形状流路が少なくとも発電時に水平面に設置されていることを特徴を有する金属セパレータを用いた燃料電池を提案する。
【００４１】
電池内のガス流れを重力に対向して上向きに設計すると、凝縮した水分の流れが滞るため、反応ガスの拡散を阻害する可能性がある。特に高電流密度で発電している場合は、多量のガスを消費し、生成する水の量も多いため電池性能が不安定になる可能性が高い。これに対し本発明のガス流路では、電極面を垂直に設定するとガス流路が上向きになる部分が生じる。よって隣り合うガス流路を水平面に設定すると電極面ガス流路内で凝縮水分が滞留することがなく迅速な排出が可能となる。マニホールドの排出方向を重力方向に設定するとスタックからの水分の排出も滞ることがなくなり、さらに望ましい。
【００４２】
以下、本発明の実施の形態を下記実施例に従って説明する。
（実施例１）
ガス流路のピッチが３ｍｍ、張り出しが０．３ｍｍの直線状凹凸形状流路をプレスにより３１本成形した板厚０．１５ｍｍのステンレスを金属流路板１とした。直線流路に相当する部分をくりぬいた枠状で板厚が０．５ｍｍのＰＰＳ（ポリフェニルスルホン）にカソードガス供給マニホールド孔１０、カソードガス排出マニホールド孔１１、アノードガス供給マニホールド孔１５、アノードガス排出マニホールド孔１６、カソード折り返し部１２、ガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ  ３２について各３個、計６個設けた部材をカソード側フレーム２とした。金属流路板１とフレーム２を液状ガスケットで隙間無く接着し、カソードセパレータを製作した。
【００４３】
カソードセパレータの外観を図２に示す。本カソードセパレータには、供給マニホールド、排出マニホールドおよびその間にガスが流れる直線状凹凸形状流路で形成されたガス流通経路がガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ３２の２個存在し、それぞれの流通経路３１，３２は折り返し部を３個持つことから、それぞれの流通経路は直線流路部４個から構成されている。よってカソードガス供給マニホールド孔１０より供給されたガスはカソードフレーム流路部１３を流れ、流通経路Ａ３１の場合では、直線流路部Ａ１４０、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ２４１、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ３４２、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ４４３、カソードフレーム流路部１３、カソードガス排出マニホールド孔１１に排出される。
【００４４】
同じく流通経路Ｂ３２の場合では、直線流路部Ｂ１４５、カソード折り返し部１２、直線流路部Ｂ２４６、カソード折り返し部１２、直線流路部Ｂ３４７、カソード折り返し部１２、直線流路部Ｂ４４８、カソードフレーム流路部１３、カソードガス排出マニホールド孔１１に排出される。同様の材料を用いて同様の手順でアノードセパレータを作製した。
【００４５】
プロトン化処理を行ったナフィオン（登録商標、以下同じ）１１２の電解質膜５に、白金・ルテニウム担持炭素触媒に乾燥重量で電解質量が触媒量の６０ｗｔ％に相当する５重量％のナフィオン−アルコール溶液を添加してペースト状に混練したものを上記で得られた電解質膜上に塗布し６０℃で３時間乾燥してアノード７を形成した。得られたアノード７の白金担持量は約０．５ｍｇ／ｃｍ２であり、ルテニウム担持量は約０．５ｍｇ／ｃｍ２であった。形成された電解質膜５の反対側の面に、白金担持炭素粉末触媒に乾燥重量でナフィオンが触媒量の６０ｗｔ％に相当する量のナフィオン−アルコール溶液を添加し、ペースト状に混練したものを乾燥時の厚さが１５μｍとなるように塗布して６０℃で３時間乾燥しカソード（図示しない）を形成することにより電解質膜／電極接合体８を作製した。
【００４６】
得られたカソードの白金担持量は約０．３ｍｇ／ｃｍ２であった。乾燥後の接合体を１Ｍ硫酸に８時間浸漬し、充分な水洗を行ったのちに自然乾燥させプロトン化を施した電解質膜／電極接合体を得た。
【００４７】
アノードセパレータ、カソードセパレータ、電解質膜／電極接合体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を表面に分散させ撥水性を制御したカーボンペーパーであるカソード拡散層４、アノード拡散層６、および冷却セパレータを積層し、端板とボルトで締め付けることにより単電池（単セル）を形成した。
【００４８】
製作した単電池をセパレータの流路が垂直になるようにセルを設置し、アノードガスとして水素濃度０．５の改質模擬ガスを、カソードガスとして空気を、それぞれ６０℃のバブラーを通過させることにより所定の水蒸気量を添加させたうえで単セルに供給し、電子負荷装置により電流密度０．３Ａ／ｃｍ２に設定した電流を印加し、発電試験を実施した。冷却セルには任意の温度に制御が可能な水を約０．１Ｌ／ｍｉｎ供給し、単セル温度を７０〜７３℃の範囲で発電できるように制御した。単セルの温度は別に設けた電池温度計測ポートを用いて発電セパレータの電極中央部温度を測定した。ガスの圧力損失は供給するガスラインの単セル出入口部分に圧力計を設けて、発電時の圧力差（差圧）をそれぞれアノード圧力損失、カソード圧力損失と定義し測定した。
（実施例２）
カソードガス供給マニホールド孔１０、カソードガス排出マニホールド孔１１、アノードガス供給マニホールド孔１５、アノードガス排出マニホールド孔１６、カソード折り返し部１２、ガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ３２について各２個、計４個設けた部材をカソード側フレーム２とした。直線状凹凸形状流路９を有する金属流路板１とフレーム２を液状ガスケットで隙間無く接着し、カソードセパレータを製作した。カソードセパレータ外観を図３に示す。
【００４９】
本カソードセパレータには、供給マニホールド、排出マニホールドおよびその間ガスが流れる直線状凹凸形状流路で形成されたガス流通経路がガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ３２の２個存在し、それぞれの流通経路３１，３２は折り返し部を２個持つことから、それぞれの流通経路は直線流路部３個から構成されている。よってカソードガス供給マニホールド孔１０より供給されたガスはカソードフレーム流路部１３を流れ、流通経路Ａ３１の場合では、直線流路部Ａ１４０、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ２４１、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ３４２、カソードフレーム流路部１３、カソードガス排出マニホールド孔１１に排出される。同じく流通経路Ｂ３２の場合では、直線流路部Ｂ１４５、カソード折り返し部１２、直線流路部Ｂ２４６、カソード折り返し部１２、直線流路部Ｂ３４７、カソードフレーム流路部１３、カソードガス排出マニホールド孔１１に排出される。同様の材料を用いて同様の手順でアノードセパレータを作製して単セルを組立て、実施例１と同様に発電評価を行った。
（実施例３）
カソードガス供給マニホールド孔１０、カソードガス排出マニホールド孔１１、アノードガス供給マニホールド孔１５、アノードガス排出マニホールド孔１６、カソード折り返し部１２、ガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ３２について各２個、計４個設けた部材をカソード側フレーム２とした。直線状凹凸形状流路９を有する金属流路板１とフレーム２を液状ガスケットで隙間無く接着し、カソードセパレータを製作した。カソードセパレータ外観を図４に示す。
【００５０】
本カソードセパレータには、供給マニホールド、排出マニホールドおよびその間にガスが流れる直線状凹凸形状流路で形成されたガス流通経路がガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ３２の２個存在し、それぞれの流通経路３１，３２は折り返し部を２個持つことから、それぞれの流通経路は直線流路部３個から構成されている。よってカソードガス供給マニホールド孔１０より供給されたガスはカソードフレーム流路部１３を流れ、流通経路Ａ３１の場合では、直線流路部Ａ１４０、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ２４１、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ３４２、カソードフレーム流路部１３、カソードガス排出マニホールド孔１１に排出される。同じく流通経路Ｂ３２の場合では、直線流路部Ｂ１４７、カソード折り返し部１２、直線流路部Ｂ２４６、カソード折り返し部１２、直線流路部Ｂ３４５、カソードフレーム流路部１３、カソードガス排出マニホールド孔１１に排出される。
【００５１】
同様の材料を用いて同様の手順でアノードセパレータを作製して単セルを組立て、実施例１と同様に発電評価を行った。本セパレータを用いた場合の発電部構成図を図１に示した。
（実施例４）
アノードガス供給マニホールド孔１５、アノードガス排出マニホールド孔１６、カソードガス供給マニホールド孔１０、カソードガス排出マニホールド孔１１、アノード折り返し部１７、ガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ３２について各４個、計８個設けた部材をアノード側フレーム３とした。直線状凹凸形状流路９を有する金属流路板１とフレーム３を液状ガスケットで隙間無く接着し、アノードセパレータを製作した。アノードセパレータ外観を図５に示す。
【００５２】
本アノードセパレータには、供給マニホールド、排出マニホールドおよびその間ガスが流れる直線状凹凸形状流路で形成されたガス流通経路がガス流通経路Ａ３１、流通経路Ｂ３２の２個存在し、それぞれの流通経路３１，３２は折り返し部を４個持つことから、それぞれの流通経路は直線流路部５個から構成されている。よってアノードガス供給マニホールド孔１５より供給されたガスはアノードフレーム流路部１８を流れ、流通経路Ａ３１の場合では、直線流路部Ａ１４０、アノード折り返し部１７、直線流路部Ａ２４１、アノード折り返し部１７、直線流路部Ａ３４２、アノード折り返し部１７、直線流路部Ａ４４３、アノード折り返し部１７、直線流路部Ａ５４４、アノードフレーム流路部１８、アノードガス排出マニホールド孔１６に排出される。
【００５３】
同じく流通経路Ｂ３２の場合では、アノードフレーム流路部１８を流れ、直線流路部Ｂ１４９、アノード折り返し部１７、直線流路部Ｂ２４８、アノード折り返し部１７、直線流路部Ｂ３４７、アノード折り返し部１７、直線流路部Ｂ４４６、アノード折り返し部１７、直線流路部Ｂ５４５、アノードフレーム流路部１８、アノードガス排出マニホールド孔１６に排出される。本アノードセパレータと実施例３のカソードセパレータを用いて単セルを製作し、実施例１と同様に発電評価を行った。
（実施例５）
実施例４の単セルを用いてセパレータ流路を水平になるように単セルを設置した以外は実施例４と同様の評価を行った。
（比較例）
カソードガス供給マニホールド孔１０、カソードガス排出マニホールド孔１１、アノードガス供給マニホールド孔１５、アノードガス排出マニホールド孔１６、カソード折り返し部１２を、ガス流通経路Ａ３１について２個設けた部材をカソード側フレーム２とした。直線状凹凸形状流路９を有する金属流路板１とフレーム２を液状ガスケットで隙間無く接着し、カソードセパレータを製作した。本カソードセパレータの外観平面を図６に示す。
【００５４】
本カソードセパレータには、供給マニホールド、排出マニホールドおよびその間ガスが流れる直線状凹凸形状流路で形成されたガス流通経路が１個、折り返し部が２個存在することから、流通経路は直線流路部３個から構成されている。よってカソードガス供給マニホールド孔１０より供給されたガスはカソードフレーム流路部１３を流れ、直線流路部Ａ１４０、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ２４１、カソード折り返し部１２、直線流路部Ａ３４２、カソードフレーム流路部１３、カソードガス排出マニホールド孔１１に排出される。同様の材料を用いて同様の手順でアノードセパレータを作製して単セルを組立て、実施例１と同様に発電評価を行った。
（実験結果）
実施例および比較例の電流密度０．３Ａ／ｃｍ２、水素利用率０．６、酸素利用率０．４で発電しているときのアノードガス、カソードガスの圧力損失値を表１に示す。比較例に対し、実施例はアノード、カソードともに大幅に圧力損失が低減している。これは比較例がマニホールドを１対しか持たず、ガス流通経路としては１つしか存在しないのに対し、実施例ではマニホールド対を複数とすることによりセル内のガス流通経路を２つにして、流通経路あたりのガス量を０．５倍にして、圧力損失を特に増加させるガス折り返し部でのガス速度を低減できたことに起因する。セルの圧力損失低減はブロアなどの吐出圧を低くすることができるため低補機損を実現できシステム効率の向上が可能となる。
【００５５】
【表１】
2005353521.tif 000003
【００５６】
表２に電流密度０．３Ａ／ｃｍ２、セル電圧０．７Ｖを実現するために必要となる水素利用率を実施例、比較例について示す。実施例１が０．６であるのに対し、実施例２では利用率が０．７と向上している。ここで利用率が増加する場合はセルに供給するガス量としては低下するため、電池の性能が向上していることを示す。これは実施例１が折り返し部を３個と奇数個有するために折り返し部の最短距離を流通するガスが増加し、折り返し部に続くガス流路部分にガス量の偏りが生じ、電池面内の反応分布が不均一になり、高水素利用率発電ができなくなったためと考えられる。一方、折り返し部を偶数個に設定した実施例２では、構造上、折り返し部とそれに続く流路の圧力損失のバランスが取れているため、ガスが均一に流れるため電極反応が均一に生じ、水素利用率が向上すると考えられる。
【００５７】
【表２】
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【００５８】
表２の実施例３は水素利用率が０．８５であり、実施例２よりもさらに向上している。これは実施例２が流通経路のｒ１と別流路のｒ’ｎ＋１が隣り合う構造であり、ｒ１を流れる反応ガスがｒ’ｎ＋１流路へ流れ込むことにより発電に寄与せずに排出されてしまうガスが実施例２に存在するためである。一方実施例３では発電に消費され、水素濃度が低下したｒｎ＋１とｒ’ｎ＋１流路が互いに隣り合うため、ガスの流入が発生しても電池性能に与える性能はごく軽微であるため、高水素利用率発電が可能になったと考えられる。
【００５９】
表３に電極中心部における発電時温度を示す。実施例２では温度が７９℃であるのに対し、実施例３では７３℃に低下している。これは実施例２が中央部から反応ガスが供給される流通経路が存在するのに対して、実施例３では電極の外側より反応ガスが供給されるため、最も反応速度が大きくなる部分が実施例２では中央部になり、実施例３では周辺部に位置するためである。電極周辺部では放熱が大きいため温度制御が比較的容易であるが、電池中央部は熱が逃げにくく、電位内部の温度高温になりやすい。電池材料、とくに電解質膜は高温状態に曝されると劣化が進行するため、長時間安定に発電するためには実施例２よりも実施例３が有利といえる。
【００６０】
【表３】
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【００６１】
表２によれば、実施例４の水素利用率は実施例３を上回る０．９３となっている。これは、実施例４のアノードセパレータの流路構造においてフレームに折り返し部を一つの流通経路につき３個、計６個形成していることからアノードガス流路の流路断面積が縮小されてガス流速が高まり、反応の進行に伴い発生した凝縮水ガス拡散を阻害することなく速やかにセル外へと排出できるために、電池性能の安定性が高まったことに起因すると考えることが出きる。ガス流路断面積縮小によりアノードガスの圧力損失は増大する傾向にあるが、実施例４の発電状態の圧力損失値は１．５ｋＰａであり、絶対的には十分低い値となっている。この領域では圧力損失の増大よりも水素利用率を向上させたほうが、結果としてシステム総合効率向上を改善する効果が大きくなる。
【００６２】
表４に実施例４および実施例５について、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２、アノードガスの水素濃度０．５、水素利用率０．８５、酸素利用率０．４、電池温度７０℃で連続発電させたときの発電時間および初期電圧値からの電圧低下率を示す。実施例４では連続発電時間５０００時間において電圧低下率が１０％に達しているが、実施例５では発電時間９０００時間に対し、５％以下の低下しか測定されず、安定であることが示されている。
【００６３】
【表４】
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【００６４】
実施例４では、セパレータを垂直に配置し、ガス流路を構成する２つの流通経路のうち、１つが重力方向に対し、上向きに流れる部分を必ず含む構成となる。ガス流路が上向きに設定されると、凝縮した水分が重力に対抗してセル外に排出される必要があるため電池流路内に滞留しやすくなる。滞留する水分は電池性能にとって不安定な要因となりうる。例えば、出口付近に滞留した水がガスの流れによって間欠的に排出される場合、ガス圧力の変動により水が排出されるサイクルに応じて電池性能が上昇したり下降したりする。
【００６５】
この場合、電極面内における反応の状況を考慮すると、電圧が低下した時点では水の滞留によりガスの拡散が不十分で、反応種が不足した状態で電極反応が進行している可能性がある。滞留していた水が一時的に排出されガス拡散が良好になるとそれまで電極反応が低下していた反応場で反応が進行することになる。このようなサイクルが繰り返されると部分的に急激な負荷印加を行うことになるため電極材料の劣化が著しくなる。以上のメカニズムにより経時的な電池性能低下率が大きくなる。
【００６６】
一方実施例５では電極流路を水平面に設定したため、２つの流通経路のどこにもガスが重力に対し上向きになる部分が存在しない。かつ、ガス流路から流れ込む排出マニホールドの向きを重力方向に設置することが可能となるため、電池からの水分排出が実施例４よりも容易になる。このため実施例４のような電極劣化を伴う電池内のガス拡散変化が抑制され、電極材料の劣化が抑制される。結果的に実施例４に比較し実施例５では電圧低下率の向上が可能となる。
【００６７】
以上、比較例と実施例の評価結果から金属セパレータ使用時のセパレータ構造とガス圧力損失値、定電流発電時の水素燃料利用率、発電時の電池中央部温度、電圧の経時劣化率に与える影響を検討した。以上の結果によれば、本発明によりガス圧力損失の低減、電池性能の向上が可能である結果を得られた。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明のセパレータを用いた燃料電池の発電部の主要構成を示す展開図。
【図２】実施例１のカソードセパレータの平面図。
【図３】実施例２のカソードセパレータの平面図。
【図４】実施例３のカソードセパレータの平面図。
【図５】実施例４のアノードセパレータの平面図。
【図６】比較例のアノードセパレータの平面図。
【符号の説明】
【００６９】
１…金属流路板、２…カソード側フレーム、３…アノード側フレーム、４…カソードガス拡散層、５…電解質膜、６…アノードガス拡散層、７…アノード、８…電解質膜／電極接合体、９…直線状凹凸形状流路、１０…カソードガス供給マニホールド孔、１１…カソードガス排出マニホールド孔、１２…カソード折り返し部、１３…カソードフレーム流路部、１５…アノードガス供給マニホールド孔、１６…アノードガス排出マニホールド孔、１７…アノード折り返し部、１８…アノードフレーム流路部、２０…冷却流体用マニホールド孔、３１…ガス流通経路Ａ、３２…ガス流通経路Ｂ、４０…直線流路部Ａ１、４１…直線流路部Ａ２、４２…直線流路部Ａ３、４３…直線流路部Ａ４、４４…直線流路部Ａ５、４５…直線流路部Ｂ１、４６…直線流路部Ｂ２、４７…直線流路部Ｂ３、４８…直線流路部Ｂ４、４９…直線流路部Ｂ５。
【図１】
2005353521.tif 000007
【図２】
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【図３】
2005353521.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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